化工熱力學(xué)第六章

1、化工熱力學(xué)第六章第1頁，共100頁，2022年，5月20日，17點16分，星期二2 任務(wù) 對化工過程進行熱力學(xué)分析，包括對化工過程的能量轉(zhuǎn)化、傳遞、使用和損失情況進行分析，揭示能量消耗的大小、原因和部位，為改進工藝過程，提高能量利用率指出方向和方法。 第2頁，共100頁，2022年，5月20日，17點16分，星期二3 能量的級別1）低級能量 理論上不能完全轉(zhuǎn)化為功的能量，如熱能、熱力學(xué)內(nèi)能、焓等2）高級能量 理論上完全可以轉(zhuǎn)化為功的能量，如機械能、電能、風(fēng)能等3）能量的貶值第3頁，共100頁，2022年，5月20日，17點16分，星期二4 本章的主要內(nèi)容1）流動系統(tǒng)的熱力學(xué)關(guān)系式2）過程的熱力

2、學(xué)分析3）動力循環(huán)第4頁，共100頁，2022年，5月20日，17點16分，星期二6-2 熱力學(xué)第一定律 1 封閉系統(tǒng)的熱力學(xué)第一定律 熱和功是兩種本質(zhì)不同且與過程傳遞方式有關(guān)的能量形式，可以相互轉(zhuǎn)化或傳遞，但能量的數(shù)量是守恒的 第5頁，共100頁，2022年，5月20日，17點16分，星期二 2 穩(wěn)定流動系統(tǒng)的熱力學(xué)第一定律 穩(wěn)定流動狀態(tài)：流體流動途徑中所有各點的狀況都相等，且不隨時間而變化，即所有質(zhì)量和能量的流率均為常數(shù)，系統(tǒng)中沒有物料和能量的積累。 穩(wěn)定流動系統(tǒng)的熱力學(xué)第一定律表達(dá)式為：第6頁，共100頁，2022年，5月20日，17點16分，星期二所以得微分形式：第7頁，共100頁，2

3、022年，5月20日，17點16分，星期二若忽略動能和勢能變化，則有 即為封閉系統(tǒng)的熱力學(xué)關(guān)系式第8頁，共100頁，2022年，5月20日，17點16分，星期二6-3 熱力學(xué)第二定律和熵平衡1 熱力學(xué)第二定律1） Clausius說法：熱不可能自動從低溫物體傳給高溫物體2）Kelvin說法：不可能從單一熱源吸熱使之完全變?yōu)橛杏玫墓Χ灰鹌渌兓?。實質(zhì)：自發(fā)過程都是不可逆的第9頁，共100頁，2022年，5月20日，17點16分，星期二2熵及熵增原理 1）熱機效率2）可逆熱機效率第10頁，共100頁，2022年，5月20日，17點16分，星期二3）熵的定義3.1）可逆熱溫商 3.2）熵的微觀物

4、理意義 系統(tǒng)混亂程度大小的度量第11頁，共100頁，2022年，5月20日，17點16分，星期二對可逆的等溫過程對可逆的絕熱過程 常稱為等熵過程對封閉系統(tǒng)中進行的任何過程，都有 熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式第12頁，共100頁，2022年，5月20日，17點16分，星期二4）熵增原理 若將系統(tǒng)和環(huán)境看作一個大系統(tǒng)，即為孤立系統(tǒng)，總熵變St等于封閉系統(tǒng)熵變S和環(huán)境熵變S0之和。第13頁，共100頁，2022年，5月20日，17點16分，星期二 自發(fā)進行的不可逆過程只能向著總熵增大的方向進行，最終趨向平衡態(tài)。此時總熵變達(dá)到最大值，即St=0達(dá)到了過程的終點 。 熵增原理為判斷過程進行的方向和限度提供

5、了依據(jù)。 第14頁，共100頁，2022年，5月20日，17點16分，星期二3 封閉系統(tǒng)的熵平衡 熱力學(xué)第一定律無法計算由于過程不可逆引起的能量貶值的損耗，通過熵平衡關(guān)系可以精確衡量過程的能量利用效率 。 熵平衡方程第15頁，共100頁，2022年，5月20日，17點16分，星期二dSg熵產(chǎn)生。不可逆過程中， 有序能量耗散為無序熱能，并被系統(tǒng)吸收而導(dǎo)致系統(tǒng)熵的增加。 不是系統(tǒng)的性質(zhì)，與系統(tǒng)的不可逆過程有關(guān)?？赡孢^程無熵產(chǎn)生第16頁，共100頁，2022年，5月20日，17點16分，星期二4 穩(wěn)定流動系統(tǒng)的熵平衡SgSf敞開系統(tǒng)熵平衡簡圖 第17頁，共100頁，2022年，5月20日，17點16

6、分，星期二敞開系統(tǒng)的熵平衡方程式為： Sf為熵流，伴隨熱量流動而產(chǎn)生的相應(yīng)的熵變化。可正、可負(fù)、可零。規(guī)定流入體系為正，流出體系為負(fù)； Sg為熵產(chǎn)生該式適用于任何熱力學(xué)系統(tǒng)第18頁，共100頁，2022年，5月20日，17點16分，星期二對于不同系統(tǒng)可進一步簡化 對穩(wěn)定流動系統(tǒng)第19頁，共100頁，2022年，5月20日，17點16分，星期二對可逆絕熱過程第20頁，共100頁，2022年，5月20日，17點16分，星期二對絕熱節(jié)流穩(wěn)流過程，只有單股流體第21頁，共100頁，2022年，5月20日，17點16分，星期二6-4 理想功、損失功和有效能1 理想功Wid：1）定義 系統(tǒng)的狀態(tài)變化按完全

7、可逆的過程進行時，理論上產(chǎn)生的最大功或者消耗的最小功。是一個理想的極限值，可作為實際功的比較標(biāo)準(zhǔn) 第22頁，共100頁，2022年，5月20日，17點16分，星期二2）完全可逆：完全可逆是指（1）系統(tǒng)的所有變化是可逆的；（2）系統(tǒng)與環(huán)境進行可逆的熱交換。環(huán)境通常指大氣溫度T0和壓力p0=0.1013MPa的狀態(tài)第23頁，共100頁，2022年，5月20日，17點16分，星期二3）穩(wěn)流過程的理想功若忽略動能和勢能變化， 第24頁，共100頁，2022年，5月20日，17點16分，星期二 比較理想功與實際功，可以評價實際過程的不可逆程度第25頁，共100頁，2022年，5月20日，17點16分，星

8、期二2 損失功1）定義： 損失功定義為系統(tǒng)在相同的狀態(tài)變化過程中，實際過程所作的功（產(chǎn)生或消耗）與完全可逆過程所作的理想功之差。第26頁，共100頁，2022年，5月20日，17點16分，星期二對穩(wěn)流過程表示為：第27頁，共100頁，2022年，5月20日，17點16分，星期二損失功由兩部分構(gòu)成：1）由過程不可逆性引起的熵增造成2）由過程的熱損失造成表明損失功與總熵變及環(huán)境溫度的關(guān)系過程的不可逆程度越大，總熵增越大，損失功越大。不可逆過程都是有代價的 第28頁，共100頁，2022年，5月20日，17點16分，星期二例1：298K，0.1013MPa的水變成273K，同壓力冰的理想功。 273

9、K冰的熔化焓變?yōu)?34.7kJkg-1298K，0.1013MPa的水初態(tài)273K，0.1013MPa的冰終態(tài)H1=104.897kJkg-1，S1=0.367kJkg-1K-1H2，S2第29頁，共100頁，2022年，5月20日，17點16分，星期二第30頁，共100頁，2022年，5月20日，17點16分，星期二1）環(huán)境溫度為25時 是一個耗功過程，消耗的最小功是35.10kJkg-1第31頁，共100頁，2022年，5月20日，17點16分，星期二2）環(huán)境溫度是268K時 是一個做功過程，可提供的最大功是12.69kJkg-1 理想功的計算與環(huán)境溫度有關(guān)第32頁，共100頁，2022年

10、，5月20日，17點16分，星期二例2：計算損失功1.5MPa773K過熱蒸汽0.07MPaQ環(huán)境T0=293K第33頁，共100頁，2022年，5月20日，17點16分，星期二第34頁，共100頁，2022年，5月20日，17點16分，星期二3 有效能B：一定狀態(tài)下的有效能即是系統(tǒng)從該狀態(tài)變到基態(tài)，即達(dá)到與環(huán)境處于完全平衡狀態(tài)時此過程的理想功。 對于穩(wěn)流過程，從狀態(tài)1變到狀態(tài)2，過程的理想功為第35頁，共100頁，2022年，5月20日，17點16分，星期二 選定基態(tài)為（T0，p0），系統(tǒng)由任意狀態(tài)變到基態(tài)時穩(wěn)流系統(tǒng)的有效能B為：系統(tǒng)具有的能量無效能第36頁，共100頁，2022年，5月20

11、日，17點16分，星期二1）物理有效能 物理有效能指系統(tǒng)的溫度、壓力等狀態(tài)不同于環(huán)境而具有的能量。 化工過程中與熱量傳遞及壓力變化有關(guān)的過程只考慮物理有效能第37頁，共100頁，2022年，5月20日，17點16分，星期二2）化學(xué)有效能 處于環(huán)境溫度、壓力下的系統(tǒng)，由于與環(huán)境進行物質(zhì)交換或化學(xué)反應(yīng)，達(dá)到與環(huán)境平衡所作的最大功為化學(xué)有效能。 因此計算化學(xué)有效能需要確定每一元素的環(huán)境狀態(tài)，為簡化計算，建立了環(huán)境模型。 第38頁，共100頁，2022年，5月20日，17點16分，星期二 從系統(tǒng)狀態(tài)到環(huán)境狀態(tài)需經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)與物理擴散兩個過程： 化學(xué)反應(yīng)將系統(tǒng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化成環(huán)境物質(zhì)（基準(zhǔn)物）物理擴散使系統(tǒng)反

12、應(yīng)后的物質(zhì)濃度變化到與環(huán)境濃度相同的過程第39頁，共100頁，2022年，5月20日，17點16分，星期二例：計算碳的化學(xué)有效能 C的環(huán)境狀態(tài)是CO2純氣體，達(dá)到環(huán)境態(tài)需經(jīng)過化學(xué)反應(yīng) C+O2 CO2計算基準(zhǔn)取1mol第40頁，共100頁，2022年，5月20日，17點16分，星期二O2的濃度為0.21，因此第41頁，共100頁，2022年，5月20日，17點16分，星期二4 有效能效率和有效能分析1）有效能效率從狀態(tài)1 變到狀態(tài)2，有效能變化為當(dāng)B0，增加的有效能等于外界消耗的最小功第42頁，共100頁，2022年，5月20日，17點16分，星期二 對可逆過程有效能守恒，不可逆過程的有效能不

13、守恒。有效能的平衡方程為：D=0，可逆D0 ，不可逆D0，不可能自發(fā)進行第43頁，共100頁，2022年，5月20日，17點16分，星期二不可逆過程中，有效能的損失等于損失功 有效能效率定義為輸出的有效能與輸入的有效能之比可逆過程 B=100%真實過程 B0，節(jié)流后溫度降低稱冷效應(yīng) J =0，節(jié)流后溫度不變稱零效應(yīng)，零效應(yīng)的狀態(tài)點稱為轉(zhuǎn)換點，轉(zhuǎn)換點的溫度稱為轉(zhuǎn)換溫度，轉(zhuǎn)換點的軌跡稱為轉(zhuǎn)換曲線第54頁，共100頁，2022年，5月20日，17點16分，星期二 J 0 過熱蒸汽在透平中可逆絕熱膨脹 45 WS=H=H5-H40乏氣的冷凝 56 Q0=H6-H5 0 整個循環(huán)過程 QN= Q +Q0

14、 WN= Ws +Wp H=0 所以QN= -WN，即吸收的凈熱等于做出的凈功第65頁，共100頁，2022年，5月20日，17點16分，星期二2）評價指標(biāo)蒸汽動力循環(huán)的熱效率： 它表示動力循環(huán)中鍋爐所供給的熱量Q轉(zhuǎn)化為凈功WN的比率。 反映了不同裝置輸出相同的功量時所消耗的能量的多少，是評價蒸汽動力裝置的一個重要指標(biāo)第66頁，共100頁，2022年，5月20日，17點16分，星期二 汽耗率SSC（Specific Steam Consumption）：做出單位量凈功所消耗的蒸汽量 汽耗率的大小可用來比較裝置的尺寸和過程的經(jīng)濟性第67頁，共100頁，2022年，5月20日，17點16分，星期二

15、3）實際的朗肯循環(huán) 熱效率低于理想過程，汽耗率則高于理想過程。膨脹和壓縮過程均為不可逆過程，向熵增大的方向進行。膨脹過程為47，實際做功為H4-H7 H4-H5 , 兩者之比稱為透平機的等熵膨脹效率或相對內(nèi)部效率，用 S表示，反映了透平機內(nèi)部所有損失第68頁，共100頁，2022年，5月20日，17點16分，星期二2 朗肯循環(huán)的改進 盡可能減小不可逆因素造成的損耗，特別是傳熱溫差大的問題。1）提高蒸汽的過熱溫度使平均吸熱溫度相應(yīng)提高，循環(huán)效率提高，汽耗率下降。同時，乏氣干度增加。最高不超過873K第69頁，共100頁，2022年，5月20日，17點16分，星期二2）提高蒸汽的壓力提高壓力，平均

16、吸熱溫度會相應(yīng)提高，但是乏氣干度下降，一般不應(yīng)低于0.88。此外，蒸汽壓力不能超過水的臨界壓力22.064MPa第70頁，共100頁，2022年，5月20日，17點16分，星期二3）采用再熱循環(huán)12344567高壓過熱蒸氣在高壓透平中膨脹到中間壓力，然后引入再熱器加熱，進入低壓透平做功。提高了做功能力，避免了乏氣濕含量過高的缺點。第71頁，共100頁，2022年，5月20日，17點16分，星期二WSHWSLWSPQHQRH再熱循環(huán)熱效率第72頁，共100頁，2022年，5月20日，17點16分，星期二4）回?zé)嵫h(huán)利用蒸氣的熱加熱鍋爐給水，減少或消除工質(zhì)在預(yù)熱過程的對外吸熱，提高了平均吸熱溫度和

17、熱效率第73頁，共100頁，2022年，5月20日，17點16分，星期二第74頁，共100頁，2022年，5月20日，17點16分，星期二5）熱電循環(huán) 工質(zhì)全部做功，供熱量與乏氣壓力有關(guān)第75頁，共100頁，2022年，5月20日，17點16分，星期二6-7 制冷循環(huán) 使物系溫度降到低于周圍環(huán)境溫度的過程稱為制冷過程。其實質(zhì)是利用外功將熱從低溫物體傳至高溫物體。1 蒸汽壓縮制冷循環(huán)1）逆卡諾循環(huán) 逆卡諾循環(huán)是運行在相應(yīng)的高、低溫之間最有效的制冷循環(huán) 第76頁，共100頁，2022年，5月20日，17點16分，星期二冷凝器蒸發(fā)器膨脹機壓縮機Q0Q212341234T1T2p2p1ST第77頁，共

18、100頁，2022年，5月20日，17點16分，星期二由四個可逆過程構(gòu)成 12：絕熱可逆壓縮，等熵過程，消耗外功，溫度上升T1T2 23：等溫可逆放熱，循環(huán)放熱量 34：絕熱可逆膨脹，等熵過程，對外做功，溫度下降，T2 T1第78頁，共100頁，2022年，5月20日，17點16分，星期二 41：等溫可逆吸熱，循環(huán)吸熱量循環(huán)過程所做凈功說明制冷循環(huán)要消耗功第79頁，共100頁，2022年，5月20日，17點16分，星期二 制冷效率的評價指標(biāo) 制冷循環(huán)是逆向的熱機循環(huán)，其技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)用制冷系數(shù) 表示：從低溫物體吸收的熱量消耗的凈功第80頁，共100頁，2022年，5月20日，17點16分，星期二

19、對于逆卡諾循環(huán) 即逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)僅是溫度的函數(shù)，與工質(zhì)無關(guān)。兩溫度之間的制冷循環(huán)以逆卡諾循環(huán)的制冷系數(shù)最大，是一切實際循環(huán)的比較標(biāo)準(zhǔn)第81頁，共100頁，2022年，5月20日，17點16分，星期二2）單級蒸汽壓縮制冷循環(huán) 冷凝器蒸發(fā)器節(jié)流閥壓縮機Q0Q21234123434T0Tp2p1示意圖T-S圖S第82頁，共100頁，2022年，5月20日，17點16分，星期二 制冷循環(huán)中工作物質(zhì)稱為制冷劑，單位制冷劑的制冷量為 制冷劑的制冷能力為Q0 kJh-1，則其循環(huán)量為第83頁，共100頁，2022年，5月20日，17點16分，星期二壓縮單位重量制冷劑所消耗的功為制冷機的制冷系數(shù)為制冷機

20、所消耗的理論功率為第84頁，共100頁，2022年，5月20日，17點16分，星期二3）多級壓縮制冷循環(huán)91234567812345678910ST第85頁，共100頁，2022年，5月20日，17點16分，星期二2 吸收制冷循環(huán)原理介紹 吸收制冷就是直接利用熱能制冷的冷凍循環(huán)，通過吸收和精餾裝置來完成循環(huán)過程，液體為工質(zhì)。1）制冷工質(zhì) 氨水溶液吸收制冷通常用于低溫系統(tǒng)，最低可達(dá)208K(-65)，一般為228K(-45 )以上第86頁，共100頁，2022年，5月20日，17點16分，星期二 溴化鋰溶液吸收制冷通常用于大型中央空調(diào)系統(tǒng)，使用溫度不低于273K (0)，一般為278K(5 )以

21、上2）吸收制冷的特點 直接利用熱能制冷，所需熱源溫度較低，可充分利用低品位熱能第87頁，共100頁，2022年，5月20日，17點16分，星期二3）原理 利用二元溶液中各組分蒸氣壓不同來進行。以揮發(fā)性大（蒸氣壓高）的組分為制冷劑，以揮發(fā)性?。ㄕ魵鈮旱停┑慕M分為吸收劑。第88頁，共100頁，2022年，5月20日，17點16分，星期二b吸收器eQQQQ蒸發(fā)器冷凝器再生器 d換熱器f泵gac節(jié)流閥壓縮機氨吸收制冷循環(huán)示意圖第89頁，共100頁，2022年，5月20日，17點16分，星期二第90頁，共100頁，2022年，5月20日，17點16分，星期二3 氣體的液化 利用制冷循環(huán)獲得低于173K的低溫稱為深度冷凍（深冷），工業(yè)常用深冷技術(shù)使低沸點氣體冷至其臨界溫度以下，以獲得液體狀態(tài)。 如將空氣液化分離得到純的氮氣、氧氣。 第91頁，共100頁，2022年，5月20日，17點16分，星期二 氣體的液化（深度冷凍循環(huán)）是以Linde循環(huán)為基本的深冷循環(huán)。主要計算氣體的液化量及壓縮機消耗的功率。氣體的液化量計算是利用被確定的循環(huán)系統(tǒng)的能量平衡方程式求得。 壓縮機消耗功的計算即為氣體壓縮功的計算方法。 第92頁，共100頁，2022年，5月2